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鼎删 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 董囊a 0 7 0 年占月j 8 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 而口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：童卖 导师签名：州库莎月觇日 电能质量扰动的分析方法研究 摘要 随着大量敏感性电力电子器件的广泛推广应用，电力系统电能质量日 渐下降，电网中电流及电压波形畸变程度日益严重。另一方面随着工业自 动化水平的提高，用户对电能质量要求越来越高，两者之间的矛盾日渐显 露，电能质量的分析及管理问题因此成为供用电双方共同关注的热点。鉴 于电网信号畸变严重的现状，电能质量扰动信号的准确的检测与判别，成 为对电能质量进行监控与改善的首要前提及依据。基于上述问题，本学位 论文做了以下工作： 1 ) 对电能质量问题的概念、产生原因、分类等进行了介绍，详细地对 常见的电能质量扰动现象进行了描述。 2 ) 详细介绍了独立分量分析的理论和算法。以此为基础，本文提出利 用独立分量分析( i c a ) 的方法来对瞬时电能质量扰动进行判别与定位。本文 所用的为固定点迭代的f a s t i c a 算法：以负熵作为衡量信号的独立性的目 标函数，通过优化此目标函数，可将相互统计独立的源信号从它们的线性 混合信号中分离出来。用此算法对有瞬时电能质量扰动信号的电网电压信 号进行计算，可得到一些与扰动相对应的信号。对于不同类型的扰动，这 些信号具有不同的波形特征。根据这个特点，可以对扰动进行判别。然后 针对i c a 处理后得到的扰动信号的一阶导数信号设计了一个局部滑动窗口， 并将该滑窗分成左右两个窗口，最后以左右窗口均值差的似然比作为判决 准则来判决突变点，可以对扰动确定其位置。仿真实验结果表明，该方法 对瞬时电压跌落、瞬时电压上升、瞬时脉冲、瞬时电压中断、谐波等多种 瞬时电压畸变信号有较好的定位与判别效果。 3 ) 详细介绍了经验模态分解的理论和算法。以此为基础，本文提出一 t 种基于模态经验分解( e m d ) 的方法来对电能质量扰动进行定位。e m i ) 方法在 分解过程中异常数据会在其第一个固有模态分量中引起局部高频突变信 号。此高频突变信号具有出现异常数据时的局部高频信号的相邻两极值点 的幅值相对于无扰动时明显增大，在与扰动信号突变点出现时刻相对应局 部的高频突变信号极值点间距很小，幅值有明显跳变的波形特点。利用此 特点，对含有电能质量扰动的电网电压进行e m d 分解后得到的第一个固有 模态分量求取一阶导数，然后对其一阶导数进行阈值处理，来确定扰动发 生及终止的时刻。仿真实验结果表明，此方法对多种电能质量扰动信号信 号有较好的定位效果。 关键词：电力系统；扰动；独立分量分析；经验模态分解；定位 a n a l y s i sm e t h o d sf o rd i s t u r b a n c eo fp o 伽r s y s t e m s a b s t r a c t w i t l lt h ew i d ea p p l i c a t i o no fl a r g e s c a l es e n s i t i v ee l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h e p o w e rq u a l i t yi sd e c l i n i n g ，t h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n ti nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k d i s t o r t e dm o r ea n dm o r es e r i o u s l y o nt h eo t h e rh a n d ，谢mt h ee n h a n c e m e n to f t h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nl e v e l ，t h ep o w e ru s e r s r e q u i r e m e n tt ot h ep o w e r q u a l i t yb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r t h ec o n f l i c ta p p e a r s ，t h u st h ea n a l y s i sa n d m a n a g e m e n to fp o w e rq u a l i t yb e c a m eah o tt o p i ct ob o t ht h ep o w e rd e m a n da n d s u p p l ys i d e u n d e rt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fs i g n a l sd i s t o r t e ds e r i o u s l yi nt h e p o w e rs y s t e m , t h ea c c u r a t ed e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o no ft h ep o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c ea r et h en e c e s s a r yp r e r e q u i s i t ea n dt h eb a s i so ft h em o n i t o r i n ga n d g o v e r n i n gt h ep o w e rq u a l i t y s o m er e s e a r c hi sp r o c e s s e dh e r eo nt h ep r o b l e m s a b o v ea sf o l l o w ： t h ed e f i n i t i o n ，c a u s e ，c l a s s i f i c a t i o n ，a n de v a l u a t i o nc r i t e r i o no fp o w e r q u a l i t y p r o b l e m sa r ed i s c u s s e da n d d e s c r i b e d d e t a i l e d l y t h e t h e o r ya n da l g o r i t h mo fi n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i sa r ea n a l y s i s e d a n de x p l a i n e di nd e t a i l b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e rp r o p o s e sa ni n d e p e n d e n t c o m p o n e n ta n a l y s i s ( i c a ) - b a s e dm e t h o d f o rd e t e c t i n gi n s t a n t a n e o u sp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e s a c c o r d i n gt o t h ep e c u l i a r i t i e st h a ti c ac a ns e p a r a t et h e o r i g i n a l s o u r c es i g n a l sw h i c ha r es t a t i s t i c a l l yi n d e p e n d e n c ef r o mt h e i rl i n e a r m i x t u r e s ，t h en e g e n t r o p yi sg i v e na sa no b j e c tf u n c t i o nt om e a s u r et h e i n d e p e n d e n c eo f t h es i g n a l s b yo p t i m i z i n gt h i sf u n c t i o n ，af i x e d p o i n ta l g o r i t h m ： f a s t l c ai s d e r i v e d c a l c u l a t i n g t h ev o l t a g es i g n a l so fp o w e rs y s t e m sw i t h i n s t a n t a n e o u sp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sb yu s i n gt h i sa l g o r i t h m , w ec a ng e t s e v e r a lk i n d so fs i g n a l sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i s t u r b a n c e s t h e s es i g n a l sh a v e d i f f e r e n tw a v e p e r f o r m a n c et ot h ed i s t u r b a n c e so fd i f f e r e n tt y p i e s b yt h i s i i i f e a t u r e s ，w ec a l lr e c o g n i z et h ed i s t u r b a n c e s t h e nal o c a ls l i d i n gw i n d o wi s d e s i g n e df o rf i r s td e r i v a t i v es i g n a l so fd i s t u r b a n c es i g n a l sa f t e rs e p a r a t i o nw i t h i c a ，t h ew i n d o wi sd i v i d e di n t ot w ow i n d o w s f i n a l l y , t h el i k e l i h o o dr a t i oo f m e a nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h el e f tw i n d o wa n dt h er i g h to n ei st a k e na sad e c i s i o n c r i t e r i o nt od e t e c tb r e a kp o i n t s ，b yt h o s eb r e a kp o i n t sw ec a nd e t e r m i n et h e 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 问题的提出1 1 2 电能质量概述2 1 2 1 电能质量定义2 1 2 2 电能质量相关标准2 1 2 3 电能质量问题的相关术语4 1 2 4 电能质量问题的分类5 1 3 电能质量问题产生原因与危害6 1 4 电能质量分析方法8 1 5 本文的主要工作1 0 第二章独立分量分析( i c a ) 方法1 2 2 1 引言1 2 2 2 独立分量分析的研究概况1 3 2 3 独立分量分析的应用1 4 2 4 独立分量分析的相关信息论知识1 5 2 4 1 熵1 5 2 4 2 散度1 6 2 4 3 互信息1 6 2 4 4 负熵1 6 2 5 统计独立性的概念1 7 2 6i c a 的线性模型1 8 2 7i c a 实现原理1 9 2 7 1i c a 的求解思路1 9 2 7 2i c h 的不确定性1 9 2 7 3i c a 的独立性判据2 0 v 2 8f a s t l c a 算法2 2 2 8 1 概述2 2 2 8 2 信号的预处理2 3 2 8 3f a s t l c a 算法2 4 2 9 本章小结2 7 第三章i c a 在瞬时电能质量扰动分析中的应用2 8 3 1 引言2 8 3 2 瞬时电压畸变2 9 3 3 电能质量扰动信号的数学模型2 9 3 4 仿真实验及分析3 0 3 4 1 暂态振荡3 0 3 4 2 瞬时电压上升或跌落3 1 3 4 3 瞬时脉冲3 3 3 4 4 瞬时电压中断3 3 3 4 5 谐波3 5 3 5 瞬时扰动信号的定位3 5 3 5 1 瞬时扰动信号的确定3 5 3 5 2 瞬时扰动信号的定位3 6 3 6 小结3 7 第四章经验模态分解( e 渺) 方法的基本理论3 8 4 1 引言3 8 4 2 瞬时频率3 8 4 3 本征模态函数4 0 4 4e m d 分解4 0 4 5 模态混叠4 3 4 6 本章小结4 4 第五章啪在电能质量扰动分析中的应用4 5 5 1 引言4 5 5 2 电能质量扰动信号的e m d 分解4 6 5 3 扰动信号的定位4 9 v i 5 4 小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢6 l 攻读学位期间发表论文情况6 2 i 广西大学高校司n b 学位论文电能质量扰动的分析方法研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 由于电能具有易于传送、变换、控制等优点，已逐步发展为全球各国广泛使用的能 源，并且电能的应用程度也已常被用于作为国家发展程度的重要衡量指标。随着科技和 国民经济的飞速进步，社会对电能的需求量剧增，电力系统规模不断的扩大，而与此同 时，各种电能质量问题也接踵而来，越来越成为电力部门与电力用户双方共同关注的焦 点q - s 。 一方面，电能质量日渐下降：电力系统中灵活交流输电系统、高压直流输电等技术 的采用；各种基于电力电子技术的设备及装置日益广泛的使用；冲击性、非线性的负荷 大规模的应用( 例如，开关式电源、变频节能设备、大型的电力拖动器械、重工业部 门中的晶闸管整流装置、高层建筑中的高速电梯、炼钢电弧炉、电气化铁路等) ，这些 都将对电网注入明显的干扰，造成电网中出现数量众多的电流电压波形畸变、电压波动 等现象，极大程度地降低了电网中的电能质量。 另一方面，随着工业生产自动化程度的迅猛发展及现代信息技术的快速进步，投运 于电力系统中的各类工业控制系统数量激增，由于对微机控制技术大量的应用，控制系 统的流程也越来越复杂，此外，各种精密仪器设备不断涌现一它们对干扰较之传统设备 更为敏感，如仅为数十毫秒的短暂的电压骤降也将导致生产停顿或废品率增加、信息丢 失等事故，造成无法估计的经济损失。因而电力用户对电能质量提出了越来越高的要求。 电能质量的不断下降和而随着科技的进步用户对电能质量的苛刻要求之间的矛盾日渐 突出。 为了更好地分析和讨论各种电能质量问题，使电能质量得到有效地改善，已吸引了 众多的电力工作人员及相关领域的学者致力于电能质量问题的成因及解决方法的研究。 而首当其冲要解决的问题是对电能质量扰动的准确检测和识别。电能质量的检测主要涉 及到对电能质量扰动信号的开始时刻、结束时刻、持续时间、幅值等特征量的确定问题， 而扰动的识别主要是致力于解决电能质量扰动特征的提取及对其进行行之有效的分类 的问题。多年来，涌现出了多种有效的、从不同的角度提出的电能质量扰动检测及判别 方法，研究也仍不断地深入进行中，而且随着科技发展的需要，对电能质量问题的研究 广西大学矗h 交硕士掌位论文电能质量扰动的分析方法研究 重点已由诸如欠电压、过电压、电压中断等传统质量问题渐渐向暂态电能质量问题方面 转移。 1 2 电能质量概述 1 2 1 电能质量定义 理想状态下，三相交流电力系统应该能够为用户提供规定电压等级的、稳定的、频 率单一( 例如5 0 赫兹) 的正弦波形变化的对称的三相交流电( 即幅值相等，频率相同， 相位互差1 2 0 ) ，且应当能够保证用电设备使用过程中的电能传输效率最高( 即用电设备 间相互无干扰，功率因数为1 ) 。但因为在实际系统中发电机、输电线路、变压器等元件 的参数存在着自身所固有的非线性特性等问题，同时由于电网中运行了数量众多的诸如 炼钢电弧炉、变频装置、晶闸管整流装置等非线性负荷，还有各种故障、外界干扰、尚 未完善的调控手段等多种因素的影响，上述的理想状态并不存在，因而也就出现了各式 各样的电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的问题 1 - 3 。 电能质量主要以电网中的频率、三相不平衡度、谐波及电压波动等指标来进行衡量， 迄今为止还未形成统一的电能质量衡量标准。从广义上说，电能质量是对电力系统通过 公用电网为电力用户所提供的交流电能的品质的描述。但人们从不同的角度出发对电能 质量的定义存在多种诠释。i e c ( 国际电工委员会) 标准认为：电能质量指在正常工况下， 供电设备保证用户无干扰且不被中断地使用电能的物理特性。而一部分专家认为电能质 量问题的研究应以电力用户的衡量标准为重，故主张将电能质量定义为：导致用电设备 产生误动作或者出现故障的频率、电流或电压的偏差。 1 2 2 电能质量相关标准 如今的i e e e ( 美国电气电子工程师协会) 标准h 1 及i e c ( 国际电工委员会) 标准是当 前国际上较为认同的标准。 i e e e 标准中对术语“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 正式地采用，给出了各种电网中 电能质量问题( 例如电压中断、电压波动、频率偏差、谐波、闪变等) 的定义，并对电 压水平和耐受时间等作了严格的规定，对电压容限曲线作了定义，同时，还详尽的讨论 了对各种电能质量扰动问题的测量办法及解决处理方案等问题。 2 广西大学高校硕士掌位论文电能质量扰动的分析方法研究 i e c 着重强调了设备一设备、电源一设备之问的相互影响及作用，提出了术语“电 磁兼容( e m c ) ，以电磁兼容的角度出发把电能质量划分成为辐射型传导型低高频 现象、核电磁脉冲及静电放电现象等基本现象。欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 为了 使欧洲共同市场对电能质量的标准得以统一，于1 9 9 5 年正式公布了目前已被i e c 采用的 名为公共配电系统供电特性( c e n e l e cc l c b t t f 6 8 6 ( s e c ) 1 5 ) 的文件。 我国以i e c 电能质量标准作为参考，从我国的实际情况出发，至2 0 0 2 年底，陆续颁 布了多项电能质量国家标准，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 电能质量国家标准及其内容 t a b 1 1t h en a ti o n a ls t a n d a r d sa n dc o n t e n to fp o w e rq u a lit y 电能质量国家标准内容 电能质量供电电压允许偏差 其中规定：3 5 k v 及其以上供电电压的允许偏差为5 ， l o k v 及其以下供电电压的允许偏差为7 ，2 2 0 v 单相供 g b1 2 3 2 5 - 1 9 9 0 电电压的允许偏差为额定电压的+ 5 一1 0 。 其中对各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含 电能质量公用电网谐波 有率及各单次偶次电压含有率的限制值作了明确的规 定，此外，还对电网公共连接点的谐波电流注入的允许 g b t1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 值，各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率等作了规 定。 电能质量电力系统频率允许偏差 其中规定电力系统频率允许偏差值为0 2 赫兹，若系 统容量较小时，偏差值可放宽至o 5 赫兹( 标准中并 g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 未说明系统容量大小的界限) 。 其中规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡 电能质量三相允许不平衡度度允许值为2 ，短时间不得超过4 。不平衡度允许值 g b t1 5 5 4 3 - 1 9 9 5指在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电 压不平衡度为最大的生产运行周期中的实测值。 电能质量电压波动与闪变 其中规定：l o k v 及其以下的公共供电点的电压波动允许 值为2 5 ，3 5 11 0k v 的公共供电点的电压波动允许值 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 为2 ，2 2 0 k v 及其以上者为1 - 6 。 其中介绍了暂态过电压( t e m p o r a r yo v e rv 0 1 t a g e ) 、 瞬态过电压( t r a n s i e n to v e rv o l t a g e ) 、缓冲前过电压 电能质量暂时过电压和瞬时过电压( s l o w - f r o n to v e rv o l t a g e ) 、振荡过电压( r e s o n a n c e g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 o v e rv o l t a g e ) 、快波前过电压( f a s t f r o n to v e r v o l t a g e ) 及雷电过电压( 1 i g h t n i n go v e rv o l t a g e ) 五种类型的过电压。 3 1 2 3 电能质量问题的相关术语 对电能质量问题准确的定义与描述是深入分析监测数据，对电能质量问题进行系统 而深入的研究，是据此探寻产生电能质量问题的起因和实施具有针对性且有效的解决措 施的前提。基于电能质量的技术术语尚未规范的现况，i e e e 第2 2 标准统筹委员会( i e e e s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ) ( 电能质量) 以及其它国际委员会建议对常见 的电能质量干扰问题使用如表1 2 所示的术语1 。 表卜2电能质量干扰问题的常用术语及定义 t a b 1 2t h ec o m m o nt e r m i n o l o g ya n dd e f i n i t i o no ft h ed i s t u r b a n c e so fp o w e rq u a i i t y 常用术语 定义 在某时间段内，一相或多相电压幅值低于额定值的1 0 。电压中断根据 电压中断 它的持续时间可划分为持续电压中断( s u s t a i n i n gi n t e r r u p t i o n ，持 ( i n t e r r u p ti o n ) 续时间大于6 0 秒) 、暂时电压中断( t e m p o r a r yi n t e r r u p t i o n ，持续时 间为3 秒至6 0 秒) 和瞬时电压中断( m o m e n t a r yi n t e r r u p t i o n ，持续时间 为o 5 周波至3 秒) 。 电压暂降 电压幅值降为额定值的1 0 9 0 ，持续时间在0 5 周波到6 0 秒范围内。 ( v o l t a g es a g s ) 电压暂降亦称为电压凹陷或电压跌落。 短暂的超过电压额定值的1 0 以上的电压称为电压暂升，它的持续时间 在0 5 周波到6 0 秒之间，电压幅值为额定值的1 1 0 1 8 0 。电压暂降及 电压暂升 电压暂升根据它的持续时间可划分为暂时电压暂降电压暂升 ( v o l t a g es w e ll s ) ( t e m p o r a r ys a g s s w e l l s ，持续时间在3 秒至6 0 秒之间) 、瞬时电压暂 降电压暂升( m o m e n t a r ys a g s s w e l l s ，持续时间在3 0 周波至3 秒之间) 及瞬间电压暂降电压暂升( i n s t a n t a n e o u ss a g s s w e l l s ，持续时间在 o 5 周波至3 0 周波之间) 。电压暂升亦称为电压骤升或电压凸起。 过电压 ( o v e r v o l t a g e ) 电压幅值升为额定电压的1 1 0 - - - 1 2 0 ，持续时间超过1 分钟。 欠电压 ( u n d e r v o lt a g e ) 电压幅值降为额定电压的8 0 9 0 ，持续时间超过1 分钟。 电压波动是指电压包络线的规律性的变化，或是电压幅值在标称值的 电压波动 9 0 - 一1 1 0 的范围的一系列随机电压变动。电压闪变是指人的眼睛对由 ( v o l t a g e 电压波动所造成的照明异常而引起的视觉感受，一般它的判断依据为 f 1 u c t u a t i o n ) 白炽灯的工况。波动性负荷( 例如轧钢机、电弧炉及高速磁悬浮列车 系统等) 在运行中所造成的周期性或随机的，变化幅度较大的有功功 率、无功功率，均易使电网中产生电压波动及闪变现象。 造成谐波的根本原因是非线性负荷，谐波指发生畸变的电网电压经过 谐波 f o u r i e r 分解后得到的除基频以外的，频率为基频频率整数倍的正弦 ( h a r m o n i c s ) 波电压及电流。谐波易造成计算机误动作、断路器无故跳闸、信息丢 失、电气设备过热等故障。 4 广西大掌高校硕士学位论文电能质量扰动的分析方法研究 续表1 - 2 含有非工频频率整数倍频率的正弦波电压及电流。引起间谐波的原因 间谐波主要是较大的电压波动、冲击性非线性负载，间谐波常易造成电压闪 ( i n t e r - h a r m o n i c s )变、收音机噪声增大、引发显示装置的视觉闪变、音频干扰的放大、 感应电动机振动及异常等问题。 瞬时脉冲 瞬时脉冲是指极短暂的时间内出现在两个连续稳态之间的数量变化或 者突变现象( 可以为任一极性的单方向脉冲，也可以是发生于任一极性 ( t r a n s i e n t sp u l s e ) 阻尼振荡的第一尖峰) 。 电压切痕具有周期性而且持续时间不超过0 5 周波的电压扰动。其产生原因主要 ( v o l t a g en o t c h e s ) 是电力电子装置从一相换到另一相时参与换相的电路发生瞬时短路。 三相不平衡度 指三相电力系统中三相不对称的程度。大容量不对称负荷的投运、高 ( t h r e e 。p h a s e 次谐波电流、机器接触端子及电缆接触不良等均可造成电力系统的三 v o l t a g eu n b a l a n c e 相不对称。 f a t o r ) 1 2 4 电能质量问题的分类 以各种不同的角度出发可对电能质量现象有各种不同形式的分类方法，i e c ( 国际 电工委员会) 以电磁兼容( 电磁现象及其相互干扰的方式) 的角度，把电能质量进行划 分，对引起电磁干扰的基本现象进行了分类，如表i - 3 所示。 表1 - 3i e c 关于电磁扰动的基本现象分类 t a b 1 3t h ec l a s s i f i c a t i o no fb a s i cp h e n o m e n o na b o u tt h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e so f i e c 现象分类现象分类 谐波，间谐波 辐射型低频现象工频电磁场 系统信号( 电力线载波) 电压波动磁场 电压暂降和中断电场 传导型低频现象 电压不平衡 辐射型高频现象 电磁场 工频变化连续波 感应低频电压 瞬变 交流电网中的直流成分 感应连续电压或电流静电放电现象( e s d ) 传导型高频现象单方向瞬变核电磁脉冲( n e m p ) 振荡性瞬变 i e e e ( 美国电气电子工程师协会) 将电力系统中的主要电能质量问题划分为以波形 畸变为特征( 主要指持续性电压或者频率的变化，如谐波、间谐波、长期电压变化、电 压波动与闪变、三相电压不平衡等) 的稳态电能质量问题和以暂态持续时间及频谱为特 征( 主要指短时电压变化及各种暂态现象，如电压中断、电压暂降、电压暂升、振荡暂 5 广西大掌高校硕士掌位论文 电能质量扰动的分析方法研究 态与脉冲暂态等) 的暂态电能质量问题两大类型。其中稳态电能质量主要以频率、幅值、 频谱、陷落面积、陷落深度等特征量来进行描述，暂态电能质量主要以幅值、上升率、 持续时间、相位移、发生率、能量强度、频谱等特征量来进行描述伽。据此，i e e e 给出 了如表1 - 4 所示的关于电能质量领域电磁现象的具体分类。 表1 4i e e e 关于电能质量领域电磁现象的具体分类 t a b 1 4t h ec l a s s i f i c a t i o no fb a s i cp h e n o m e n o na b o u tt h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e so f i e e e 类别典型频谱典型持续时间典型电压幅值 脉 纳秒级5 n s 上升 l m s 现象低频 5 k h z 0 3 - 5 0 m s州p u 振 荡 中频 5 - 5 0 0 k h z2 0i is o 一8 p u 高频0 子一5 姗z5us 0 一一4 p u 即 中断0 5 3 0 周波 o i p u 凹陷0 5 3 0 周波 0 1 旬9 p u 时 凸起0 5 3 0 周波1 1 1 8 p u 短时瞬 中断3 0 周波一3 s l m i n 0 8 一o 9 p u 变动 过电压 l m i n 1 1 1 2 p u 电压个半衡稳态 o 5 一一2 直流偏移 伊一l o o t h稳态0 一一0 1 波形 谐波吣k h z稳态o 一2 0 间谐波稳态 0 - - 2 畸变 缺口 稳态 噪声稳态 d 菇一- 1 电压波动 中， 通过利用由他们所提出的基于h e b b i a n 学习率与递归神经网络模型的简单前馈结构的学 习算法实现了“盲分离成功地将两个源信号从其线性混合观测信号中“盲 提取了 出来，从而开启了信号处理领域的新篇章。该报告之深远意义在于它对盲信号问题处理 的新颖的思路。“盲 是指所需处理的信号是若干个未知的源信号的混合，且缺乏相关 先验知识( 如信号的波形、分布、混合情况等) ，因此通常无法用常规处理手段对混合 信号进行分离。盲信号处理一直是信号处理领域中的一个难点一而h 蹦眦t 和j u 仕饥所提 的算法仅需要求源信号符合统计独立且属于非高斯分布的假设，就可对以上所述的盲信 号分离问题加以解决。但在2 0 世纪8 0 年代，i c a 思想及其理论方法还仅仅局限在法国等 国家中为数不多的研究者中进行讨论，其分析研究主要源自两大领域一神经网络及高 阶统计量，国际影响力还较为微弱。 法国的c o m o n 与c a r d o s o 两位学者对独立分量分析方法的发展作出了不可磨灭的贡 献。c o m o n 较为系统地对i c a 问题的概念进行了阐述，并构造了基于累积量( 高阶统计 量) 的代价函数，为i c a 更为深入发展提供了的理论依据，c a r d o s o 通过对基于高阶累积 张量的代数i c a 方法的深入研究，并归纳总结出j a d e 算法d 。b e l l 和s e j n o w s k i 于1 9 9 5 年 以信息论角度对盲源分离问题进行了论述，提出了基于信息最大化原理的算法( i n f o m a x 算法) 3 2 o 此后，c a r d o s o 于1 9 9 6 年提出了相对梯度算法；a m a r i 于1 9 9 8 年提出了随机梯 度下降的学习算法( 此算法可避免矩阵求逆从而达到提高收敛速度的效果) ，且建立了 最大似然估计与随机梯度下降算法之间的基本联系蚓。1 9 9 8 年，t w l e e 提出了同时适 用于亚超高斯信号的扩展的h f o m a x i c a 算法汹3 。稍后，o j a 提出了高效的基于固定点迭 代的f a s t l c a 算法啪瑚1 ，使得i c a 可对海量数据进行处理，从而推动i c a 进入更多的应用 领域。此后i c a 理论方法不断深入、向前推进，其应用的相关研究成果不断推陈出新。 随着i c a 研究的迅速发展，对其的国际交流也日渐频繁。1 9 9 9 年1 月首届i c a 国际工作会 议于法国举行，随后，2 0 0 0 年又于芬兰举行了第二届大会。第三至第六届i c a 及b s s 会 议于2 0 0 3 - - - 2 0 0 6 年间依次在美国加州、日本奈良、西班牙的格拉纳达、美国的佛罗里达 1 3 广西大掌离校硕士掌位论文电能质量扰动的分析方法研究 举行。与会的各国学者发表了为数不少的盲信号处理相关领域、参考价值较高的的论文。 当前对于独立分量分析算法的研究方向，大致划分为以下几种方面：( 1 ) 在不同领 域中对i c a 算法进行应用、推广；( 2 ) 对目前的i c a 算法性能与其运算速度的改善；( 3 ) 开展对含噪的i c a 模型方面的研究：( 4 ) 将现代信号处理理论与i c a 有效结合汹1 方面的 探讨；( 5 ) 基于非线性混合系统的盲信号分离问题的探索啪瑚，4 1 1 ；( 6 ) 对神经网络i c a 算 法的进一步探讨池瑚】。 2 3 独立分量分析的应用 随着i c a 理论的深化发展，i c a 的应用也越来越广泛的在众多的实际应用领域中受 到关注。目前其主要应用是特征提取、生物医学数据处理、盲信号处理、图像处理、语 音信号处理等方面。 生物医学数据处理。分析处理脑电( e l e c t r o c n c 印h a l o g r a m ，简称e e g ) 数据是i c a 在此方面的极为典型的应用。作为人体脑功能研究的重要组分，e e g 数据能综合地体现 神经系统中神经元的电活动情况。研究过程中为了达到对生理现象进行收集的目的，通 常需要用多路传感器对脑电数据进行同步采集，但是由于传感器的位置距离太近的缘 故，采集得到的多导生理数据间存在着严重的相互干扰( 即有着较大的相关性) 。利用 i c a 可将各独立信号源及干扰信号从e e g 数据中分离出来。此外，i c a 可用于对视觉诱 发电位的少次提取及波形分析晗u 、确定核功能磁共振图像上的激活区、对孕妇心电信号 的处理等方面。 图像处理。可将i c a 应用于对混合图像的分离，目前已经可用f a s t l c a 算法对三幅图 像的混合进行有效分离。实验结果显示，分离得到的图像与原图像相似度很高，且具有 运算量很小，迭代次数少的优点。此外i c a 可用于对图像的特征进行提取以进行图像的 消噪、压缩等方面，较之常用的特征提取方法p c a ，利用i c a 方法进行提取所得到的特 征更能反映频率、空间及方向的局部特性，与人的视觉系统对图像处理的方式m 1 更为 吻合。目前，i c a 方法在图像处理方面的应用大致还有：人脸检测与识别、图像检索、 图像水印、字符识别等。 语音信号处理。“鸡尾酒会”问题是i c a 最为经典的应用例子。酒会中在不同位置摆 放的多个话筒，记录所得到的多路语音信号往往是若干人交谈语音的混合语音信号，想 要解决的问题是：期望得到清晰的单人的独立语音信号，而其它的声音能作为干扰噪声 1 4 广西大学高校硕士掌位论文 电能质量扰动的分析方法研究 去除。传统的方法中，一般是通过运用线性滤波、稀疏码收缩方法、小波等方法对话筒 记录下的语音信号实施消噪处理，但其效果并不令人十分满意。若将话筒所记录信号视 为是由若干个独立语音信号经线性加权叠加而得到的观测信号，问题为对这些独立语音 信号的求取，则利用i c a 方法，可将多个语音进行分离，从而使问题得到解决。a j b e l l 等人对此问题的研究中，已可实现对十人语音的分离，从而验证了独立分量分析方法在 语音信号处理方面的巨大应用潜力。 通信。独立分量分析方法在通讯系统中的应用研究可大概划分成以下两阶段：第一 阶段是一九九七年至u - o o o 年，此阶段的研究工作主要包括以下方面：组衰减传播环境 下p c a 与i c a 技术在信道估计方面的应用、i c a 在接收机中的应用、i c a 在多用户检测性 能提高方面的应用及盲干扰抑制等；第二阶段是- o o o 年至今，主要为i c a 方法在消除 干扰方面的应用的研究。 雷达和水声信号处理1 。在军事领域，传统雷达需发出电波信号以探测目标因而有 易于暴露而遭到攻击的缺点，目前已在研究基于盲处理技术的仅通过接受信号而不必反 射信号就可对目标进行探测的被动“雷达。除此之外，对于阵列信号( 例如声纳探测 等) 的处理过程中，通过传感器所接收到的各信源信号，具有缺乏相关的信号以及其传 输介质的先验知识、为时变性信号等特点，此类探测过程也被列入盲分离的范畴。 2 4 独立分量分析的相关信息论知识删 由于独立分量分析方法涉及随机过程、概率论、线性代数等多方面的数学知识，所 需知识面较宽，因此以下先对一些与独立分量分析理论关系较为密切相关的信息论方面 的数学知识进行阐述，以方便对于后续内容的理解。 2 4 1 熵 熵是信息论的基本概念，亦称为平均信息量。对于某一连续的随机变量工，如果其 概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n , p d f ) 为p ( 功，则x 的熵定义为： 日( 力= 一ip ( x ) l o g p ( x ) d x ( 2 2 ) 由( 2 2 ) 式可知，当概率增大时变量的不确定性将变小，从而其所携带的信息量越小， 熵越小，故熵可用于对衡量随机变量不确定度的进行衡量。 1 5 广西大掌囊h 变硕士掌位论文电能质量扰动的分析方法研究 2 4 2 散度 散度( k u l l b a c k l 崩b 1 k l ) 可用于对两个概率密度的相似程度的量度，设随机变量x 的两种p d 伪p l ( 功，p 2 ( 曲，则二者的k l 散度d 豇( p 2 ( x ) ，p l ( 工) ) 为：